CN1361939A - 谐振器结构和具有这样的谐振器结构的滤波器 - Google Patents
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Abstract
谐振器结构(600,800,810,820)包括两个导电层(110,120)和在这两个导电层之间的压电层(100),所述导电层和压电层在谐振器结构的第一区域上延伸,该第一区域是谐振器结构的压电激励的区域。谐振器结构的特征在于,谐振器结构被安排成有一个区(603,801,803,804),它限定在谐振器的第一区域内的中心区域(604,802),以及在该区中的层结构被安排成使得压电激励的振动在该区中比在中心区域中更有效地被阻尼。
Description
本发明总的涉及压电谐振器和包括压电谐振器的滤波器。具体地，本发明涉及具有简单结构和在运行频率上有良好电响应的谐振器结构。
移动电信的发展继续向着更小的和不断复杂的手持单元方向进行。这种发展导致对于移动通信装置中使用的元件和结构的小型化的增长的需求。这种发展也关系到射频滤波器结构，它不仅不断地小型化，还应当能够承受相当大的功率电平，具有非常陡的通带边沿和低的损耗。
在现有技术移动电话中使用的RF滤波器常常是分立的声表面波(SAW)滤波器或陶瓷滤波器。体声波(BAW)谐振器还没有广泛使用，但它们比起SAW谐振器具有某些优点。例如，BAW结构具有良好的、高的功率电平容许量。
已经知道，在半导体晶片上，诸如硅(Si)或砷化镓(GaAs)晶片上，构建薄膜体声波(BAW)谐振器。例如，在K.M.Lakin和J.S.Wang的、题目为“Acoustic Bulk Wave Composite Resonator(体声波复合谐振器)”的论文，Applied Physics Letters，Vol.38，No.3，pp.125-127，Feb.1，1981，揭示了体声波谐振器，它包括被溅射在硅(Si)的薄膜上的氧化锌(ZnO)的薄膜压电层。而且，在HiroakiSatoh，Yasuo Ebata，Hitoshi Suzuki，和Choji Narahara的，题目为“An Air-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator(空气隙型压电复合薄膜谐振器)”的论文中，I5 Proc.39thAnnualSymp.Freq.Control，pp.361-366，1985，揭示了具有桥式结构的体声波谐振器。
图1显示具有桥式结构的体声波谐振器的一个例子。结构包括被沉积在基片200上的薄膜130。谐振器还包括在薄膜上的底部电极110，压电层100，和顶部电极120。通过从顶部一侧蚀刻掉某些基片，在薄膜和基片之间造成一个缝隙210。缝隙用作为声隔离器，基本上把振动的谐振器结构与基片隔离开。
下面，首先描述某些类型的SAW谐振器。
体声波谐振器典型地被制做在硅(Si)，砷化镓(GaAs)，玻璃，或陶瓷基片上。使用的另一种陶瓷基片类型是氧化铝。BAW器件典型地通过使用各种薄膜制造技术被制造，诸如溅射，真空蒸发或化学汽相沉积。BAW器件使用用于产生体声波的压电薄膜层。典型的BAW器件的谐振频率范围从0.5GHz到5GHz，取决于器件的尺寸和材料，BAW谐振器呈现晶体谐振器的典型的串联和并联谐振。谐振频率主要由谐振器的材料和谐振器的层的尺度确定的。
典型的BAW包含三个基本单元：
声有源压电层，
在压电层的相对两侧处的电极，以及
与基片的声隔离。
压电层可以是ZnO，AlN，ZnS或可被制做为薄膜的任何其它压电材料。作为另外的例子，可以使用PbTiO3和Pb(ZrxTi1-x)O3和所谓的铅镧锆钛族的其它成员。
被使用来形成电极层的材料是导电材料。电极可以由任何适当的材料组成，诸如钨(W)，铝(Al)，铜(Cu)，钼(Mo)，镍(Ni)，钛(Ti)，铌(Nb)，银(Ag)，金(Au)，和钽(Ta)。基片典型地由诸如Si，SiO2，GaAs，玻璃，或陶瓷那样的材料组成。
声隔离可以通过例如以下的技术产生：
通过一个基片通孔，
通过微机械桥式结构，或
通过声反射镜结构。
在通孔和桥式结构中，声反射表面是在器件的上面和下面的空气界面。桥式结构典型地通过使用牺牲层被制做，牺牲层被蚀刻，生成无支撑的结构。牺牲层的使用使得有可能使用各种各样的基片材料，因为基片不需要被很大地修改，正如通孔结构那样。桥式结构也可以通过使用蚀刻凹坑结构被产生，在这种情形下，凹坑必须被蚀刻在BAW谐振器下面的基片或材料层上，以便生成无支撑的桥式结构。
图2显示产生桥式结构的各种方式的一个例子。在BAW结构的其它层沉积之前，牺牲层135首先被沉积和被制做图案。BAW结构的其余部分在牺牲层135的顶部被部分地沉积和制做图案。在BAW结构的其余部分完成以后，牺牲层135被蚀刻掉。图3也显示基片200，薄膜层130，底部电极110，压电层100，和顶部电极120。牺牲层可以通过使用陶瓷，金属或聚合物材料来实现。
在通孔结构中，谐振器通过从BAW谐振器结构的主要部分中蚀刻掉基片而被做成与基片的声隔离。图3显示BAW谐振器的通孔结构。图4显示基片200，薄膜层130，底部电极110，压电层100，和顶部电极120。通孔211被蚀刻成穿过整个基片。由于需要蚀刻，通孔结构通常只用Si或GaAs基片来实现。
把BAW谐振器与基片隔离开的另一个方法是，使用声反射镜结构。声反射镜结构通过把声波反射到谐振器结构而执行隔离的。声反射镜典型地包括几个具有中心频率时的四分之一波长的厚度的层，另一些具有不同的声阻抗的层。在声反射镜中层的数目典型地是从三到九层。两个接连的层的声阻抗的比值应当是大的，以便对于BAW谐振器呈现尽可能低的声阻抗，而不是基片材料的相对较高的阻抗。在四分之一波长厚度的压电层的情形下，反射镜被选择以使得对于谐振器呈现尽可能高的声阻抗。这是在美国专利5,373,268中揭示的。高声阻抗层的材料例如可以是金(Au)，钼(Mo)，或钨(W)，以及低阻抗的材料例如可以是硅(Si)，聚合硅(聚合Si)，二氧化硅(SiO2)，铝(Al)，或聚合物。由于在结构中利用声反射镜结构，谐振器与基片隔离开，基片没有被修改很多，各种各样的材料可被用作为基片。聚合物层可以由任何具有低损耗特性和低声阻抗的聚合物材料组成。优选地，聚合物材料是那种可以经得住至少350℃的温度的，因为在声反射镜结构和其它结构的其它层沉积期间可能需要相对较高的温度。聚合物层例如，可以包括聚酰亚胺，环酮烯(cyclotene)，碳基材料，硅基材料或任何其它适当的材料。
图4显示在声反射镜结构上部的BAW谐振器的例子。图4显示基片200，底部电极110，压电层100，和顶部电极120。声反射镜结构150在本例中包括三层150a，150b。两个层150a由第一种材料形成，在两个层150a之间的第三层150b由第二种材料形成。第一和第二种材料具有不同的声阻抗，如前面所述。材料的次序可以改变。例如，具有高的声阻抗的材料可以是在中间，以及具有低的声阻抗的材料可以是在中间材料的两边，或反之亦然。底部电极也可被用作为声反射镜的一个层。
图5显示BAW谐振器结构的再一个例子。图5所示的BAW谐振器是具有两个压电层100的堆叠的谐振器结构。除了底部110和底部120电极以外，堆叠结构需要中间电极115，它被连接到地电位。图6进一步显示薄膜层130，基片200和把结构与基片隔离开的蚀刻凹坑210。
谐振器的截止频率是通过假定晶体谐振器在横向方向是无穷大而被确定的。因此它直接由谐振器结构中的层的材料或由层的厚度被确定。截止频率是横向无穷大的板的机械谐振频率。
谐振器(或任何板)的横向尺度引起横向谐振模式发生，以及谐振器的基波谐振频率或有限的板的谐振频率或多或少高于或低于它的截止频率。这种基本横向谐振模式，或换句话说，第一模式横向谐振相应于其中在谐振器区域的中间有幅度最大值的情形。
在尺度有限的板中，可以有各种机械振动，以及任何横向谐振模式可被机械激励。当交变电压加到晶体上时，可以压电地激励某些横向谐振模式。通常处在不同频率的这些横向谐振模式使得谐振器的表面振动。压电激励的最强的谐振模式被称为主模式，其它压电激励模式被称为寄生谐振模式。寄生谐振模式通常发生在比谐振器的截止频率或多或少更低的和/或更高的频率处。
滤波器的想要的一个性质是在滤波器通带的频率处，滤波器的响应尽可能平坦。频率响应的变化被称为起伏(ripple)。例如，在带通滤波器中，滤波器的频率响应因此在滤波器的带宽上应当是恒定的。在阻带频率上，起伏通常不是问题。
晶体谐振器，例如BAW谐振器，的寄生谐振模式的问题在于，用这些谐振器构成的滤波器中的起伏至少部分是由谐振器的寄生谐振模式造成的。例如，在K.M.Lakin，G.R.Kline和K.T.McCarron，“Thin film bulk acoustic wave filter for GPS(用于GPS的薄膜体声波滤波器)”，1992 Ultrasonic Symposium，pp.471-476中描述了这一点。寄生谐振模式使得包括晶体谐振器或BAW谐振器的系统的性质恶化。滤波器的频率响应的起伏是寄生谐振的影响的一个例子。
本发明的一个目的是提供谐振器结构。本发明的另一个目的是提供具有良好的电响应的谐振器结构。本发明的再一个目的是提供容易制做的谐振器结构。
本发明的目的可以通过在压电激励的区域的边缘附近阻尼抑制压电激励波而达到。
按照本发明的谐振器结构是包括两个导电层和在这两个导电层之间的压电层的谐振器结构，所述导电层和压电层在谐振器结构的第一区域上延伸，该第一区域是谐振器结构的可压电激励的区域，其特征在于，
谐振器结构被安排成有一个区，它限定位于谐振器的第一区域内的中心区域，以及
在该区中的层结构被安排成使得压电激励的振动在该区中比在中心区域中更有效地被阻尼抑制。
按照本发明的滤波器是包括至少一个谐振器结构的滤波器，谐振器结构包括两个导电层和在这两个导电层之间的压电层，所述导电层和压电层在延谐振器结构的第一区域上延伸，该第一区域是谐振器结构的可压电激励的区域，其特征在于，
谐振器结构被安排成有一个区，它限定位于谐振器的第一区域内的中心区域，以及
在该区中的层结构被安排成使得压电激励的振动在该区中比在中心区域中更有效地被阻尼抑制。
按照本发明的谐振器结构包括两个导电层和在这两个导电层之间的压电层。导电层形成谐振器的电极。压电层可以是压电晶体或它可以是压电材料的薄膜层。
谐振器的电激励的区域在这里是指谐振器的所有的电极层和压电层被延伸到的区域。在按照本发明的谐振器结构中，有阻尼区，它包围谐振器的电激励的区域的某个部分。术语中心区域在这里是指电激励区域的、在阻尼区的里面的这个部分。中心区域不一定是谐振器区域的中心。阻尼区可以部分地或整个地在压电激励区域的里面，或它可以刚好在压电激励区域的外面。在最后的任选项中，压电激励区域形成中心区域，在其它的任选项中，压电激励区域的某个部分形成中心区域。
在压电激励区域的边缘处进行阻尼抑制，抑制了涉及到寄生谐振的更高阶的横向频率模式。比起一阶横向谐振模式，更高的横向谐振模式的波的相对更大的部分被限制于压电激励区域的边缘。所以，压电激励的区域的边缘的性质的修改更多地影响更高阶的横向谐振模式。
比起它限定的中心区域更好地衰减振动的区可以通过在谐振器的可压电激励区域内作出一个具有开孔的阻尼层而被构建。开孔规定谐振器的中心。例如，阻尼层可以是像框架那样的层；在这样的框架样的层中，在规定中心区域的阻尼层中的开孔比起阻尼层的总的面积，是相对更大的。例如，阻尼层可以是有损材料的层，以及它可以作为层结构的任何层而被放置。例如，它可以是在电极的顶部，在顶部电极的下面，或在压电层与电极之间。
在按照本发明的谐振器结构中，谐振器的压电激励区域的形状或中心区域的形状(例如，在阻尼层中开孔的形状)并不限于任何特定的形状。例如，可能是长方形，卵形或圆形的中心区域，以及任何其它形状。阻尼区的宽度不需要是均匀的。典型地，在阻尼层上的开孔具有与谐振器的压电激励区域相同的形状，但开孔的尺寸或多或少小于压电激励区域的尺寸。
按照本发明的谐振器结构改进传统的晶体谐振器的性质，特别是薄膜BAW谐振器的性质。现有技术BAW谐振器类型的性质，例如，上述的那些BAW谐振器类型的性质，可以通过按照本发明来修改结构而被改进。而且，当谐振器的性质被改进时，包括谐振器的元件的性质也被改进。特别是，通过使用按照本发明的谐振器结构制造滤波器是有利的。这样的滤波器可被使用于移动通信器件。
现在将作为例子参照优选实施例和参照附图更详细地描述本发明，其中：
图1显示按照现有技术的体声波谐振器，
图2显示另一个具有桥式结构的体声波谐振器，
图3显示具有通孔结构的体声波谐振器，
图4显示由声反射镜结构与基片相隔离的的体声波谐振器，
图5显示堆叠的体声波谐振器，
图6示意地显示按照本发明的第一优选实施例的示例性谐振器结构的截面，以及相应的现有技术的谐振器结构的截面，
图7显示在斯密思(Smith)圆图上按照本发明的优选实施例的谐振器结构的计算的响应，以及
图8示意地显示按照本发明的第二和第三优选实施例的示例性谐振器结构的截面。
以上对现有技术的说明是参照图1到5作出的。在图上，相同的参考数字被使用于相应的部件。
阻尼效应可以通过研究两个谐振器结构600和601的谐振模型而被证实。图6上显示谐振器结构600和601的截面。谐振器结构600和601的220μm宽的压电激励区域是在谐振器结构600和601的中间的较厚的区域(谐振器结构600中用参考数字603，604标记)。谐振器结构600是按照本发明的第一优选实施例的谐振器结构的例子，它包括在压电激励区域内在压电激励区域边缘处的10μm宽的阻尼的框架样的区603。按照本发明的第一优选实施例的谐振器结构的中心区域604也呈现在图6中。
该结构的谐振频率，例如，使用FEM来进行计算。
当计算谐振频率时，在结构的不同的区域处的不同的声阻尼可以通过使用品质因数Q来考虑。品质因数可以对于每个区域分开地规定。大的品质因数是指小的能量损耗(损耗是由振动能量变换成热而造成的)，以及小的Q因数是指大的能量损耗。谐振器结构600是通过假定在其中没有附加的阻尼的区域中，品质因数Q具有数值1000以及在压电激励区域的边缘处的10μm宽的区603中，Q＝50，而被研究的。Q的这些数值没有特别的意义，它们仅仅表示在谐振器结构的各个区域中假定的性质中的差别。涉及到在各个区域中压电激励波的截止频率在图6上被显示为在差值方向上的厚度。区域603中的截止频率是与区域604中的截止频率相同的，即，这里模拟的、阻尼的框架样的区与中心区域的不同处在于更强的衰减性质。
一旦计算机械谐振模式和考虑了压电效应(或者在计算中直接考虑，或者使用不同的技术)，有可能通过斯密思圆图给出谐振器结构的行为。图7给出在斯密思圆图上两个模拟的结果。当在图7上计算斯密思圆图时，BAW谐振器的阻抗与典型的50Ω阻抗相比较。在斯密思圆图上，频率按顺时钟方向增加。只在基波谐振模式中谐振的谐振器在斯密思圆图上产生一个圆。图上的可能的环表示寄生谐振频率。
图7上的实线701代表其中围绕中心区域没有阻尼区的熟练的现有技术BAW谐振器的响应，以及可以清楚地看到表示寄生谐振模式的环。虚线702给出其中有框架样的阻尼区的谐振器结构的响应。虚线像一个圆，以及没有环。这些环被压缩出轻微的凹陷。
在斯密思圆图上的虚线表示围绕压电激励区域的框架样的区改进了谐振器结构的性能。虚线比实线多多少少更接近于圆图的中心。这意味着，基波谐振模式也略微被阻尼抑制，但阻尼不太强。
阻尼区可以通过在谐振器结构中沉积一层损耗薄膜而被构建，该层具有规定在压电激励区域内的中心区域的开孔。损耗薄膜例如可以是聚合物薄膜。在本模拟中，围绕谐振器中心区域的阻尼区比起压电激励区域的其余部分仅仅具有不同的性质。如果具有在可压电激励区域内的开孔的厚阻尼层覆盖另外的实际均匀的压电激励区域，则在中心区域的与压电激励波有关的截止频率典型地与在其中存在阻尼区的压电激励区域边缘处的截止频率不同，这可进一步改进按照本发明的谐振器的电性质。
图8a示意地表示作为按照本发明的第二优选实施例的例子的谐振器结构800的截面。在谐振器结构800中，有在基片200上的压电层100，底部电极110和顶部电极120。在基片200与底部电极110之间的可能的薄膜，缝隙或反射镜结构在图8上未示出。而且，谐振器结构800包括在顶部电极120上部的阻尼材料的框架样的层801。替换地，框架样的层801可以被放置在电极之间的某个地方。在框架样的层801中的开孔802限定了谐振器结构800的中心区域。框架样的阻尼层有可能做成这样宽，以使得它在顶部电极的边缘上延伸，或换句话说，在谐振器的压电激励区域的边缘上延伸。
图8b示意地表示按照本发明的第三优选实施例的谐振器结构810的截面。谐振器结构810类似于谐振器结构800，但在谐振器结构810中，替代只延伸到压电激励区域的框架样的阻尼层801，而是有在压电层100的边缘上延伸的阻尼层803，它覆盖没有被顶部电极覆盖的、暴露的压电材料，以及它，例如，是在顶部电极120与压电层100之间。在这种情形下，阻尼层803也具有在压电激励区域内的开孔802。开孔802限定了谐振器结构810的中心区域。模型压电材料需要防止水汽或适度，以及层803除了作为阻尼层以外，还用作为保护层。传统的保护膜层典型地由SiO2或Si3N4制成，但它并不能有效地阻尼抑制振动。
图8C示意地显示按照本发明的第四优选实施例的例子的谐振器结构820的截面。在谐振器结构820中，有框架样的层804，它包围可压电激励区域，而基本上不覆盖压电激励区域，以及它由使振动衰减的材料制成。这个谐振器820的中心区域是谐振器的可压电激励区域。
图8所示的BAW谐振器，例如，可以是具有Au(金)底部电极、ZnO或AlN压电层和Al(铝)顶部电极的谐振器。替换地，可以使用任何其它适当的材料用于按照本发明的谐振器的电极和压电层。例如，可以使用结合现有技术BAW谐振器讨论的材料。阻尼层，例如，可以是聚酰亚胺。对于具有约1GHz的谐振频率的BAW谐振器，Au底部电极的厚度典型地是500nm(纳米)，Al顶部电极的厚度典型地是400-600nm(纳米)，以及ZnO压电层的厚度典型地约为2μm。如果使用AlN，则AlN压电层的厚度在1GHz时约为3μm。正如技术上熟知的，谐振频率取决于谐振器结构中所有的层的厚度和材料。阻尼层的厚度典型地与顶部电极厚度为同一个量级。对于阻尼层的适当的厚度或对于阻尼层中开孔的适当的形状和尺寸，例如，可以通过实验找到。
图8所示的BAW谐振器，作为一个例子，是在薄膜130上，在该薄膜下面在基片200上有一个缝隙210。替换地，按照本发明的谐振器，例如，可以具有桥式结构，通孔结构或声反射镜。按照本发明的谐振器有可能在顶部电极与底部电极之间具有一个以上的压电层，类似于在图5上显示的。
BAW谐振器在这里被用作为压电谐振器的例子，其中在压电激励区域的边缘处的阻尼区改进谐振器的性能。本发明并不限于BAW谐振器，以及也可被使用来改进晶体谐振器的性质。
表示方向(诸如顶部电极和底部电极)的表示法是指比起基片来说电极的位置。顶部电极是在压电层的、与基片相对的一侧，以及底部电极是在压电层的、与基片相同的一侧。表示方向的、这些和其它可能的表示法被使用来使得谐振器结构的说明更适宜的。这些表示法无论如何并不限制根据本发明的谐振器。
Claims (12)
1.谐振器结构(600，800，810，820)，包括两个导电层(110，120)和在这两个导电层之间的压电层(100)，所述导电层和压电层在谐振器结构的第一区域上延伸，该第一区域是谐振器结构的压电激励的区域，其特征在于，
-谐振器结构被安排成有一个区(603，801，803，804)，它限定在谐振器的第一区域内的中心区域(604，802)，以及
-在该区中的层结构被安排成使得压电激励的振动在该区中比在中心区域中更有效地被阻尼抑制。
2.按照权利要求1的谐振器结构(800，810，820)，其特征在于，谐振器结构还包括至少一个材料的层(801，803，804)，该材料有效地阻尼抑制振动以及该层具有在第一区域内的开孔(802)。
3.按照权利要求2的谐振器结构，其特征在于，有效地阻尼抑制振动的材料是聚合物材料。
4.按照权利要求3的谐振器结构，其特征在于，该材料是聚酰亚胺。
5.按照权利要求2的谐振器结构，其特征在于，有效地阻尼抑制振动的材料层是与导电层相邻的。
6.按照权利要求5的谐振器结构，其特征在于，有效地阻尼振动的材料层是在一个导电层与压电层之间的。
7.按照权利要求1的谐振器结构(810)，其特征在于，有效地阻尼振动的材料层至少在压电层的、不在第一区域内的那个部分上延伸。
8.按照权利要求1的谐振器结构(800)，其特征在于，区(801)是在第一区域内。
9.按照权利要求1的谐振器结构(810)，其特征在于，区(803)至少部分地在第一区域外。
10.按照权利要求1的谐振器结构(820)，其特征在于，区(804)基本上限定了第一区域。
11.按照权利要求1的谐振器结构，其特征在于，它还包括在导电层之间的第二压电层以及在压电层之间的导电层。
12.包括至少一个谐振器结构的滤波器，该谐振器结构包括两个导电层(110，120)和在这两个导电层之间的压电层(100)，所述导电层和压电层在谐振器结构的第一区域上延伸，该第一区域是谐振器结构的可压电激励的区域，其特征在于，
-谐振器结构被安排成有一个区(603，801，803)，它限定在谐振器的第一区域内的中心区域(604，802)，以及
-在该区中的层结构被安排成使得压电激励的振动在该区中比在中心区域中更有效地被阻尼抑制。
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